高 磊 王日升 王文正 趙 欣 張艷秋 李 飛

(北京市政建設集團有限責任公司第三工程處，北京 100176)

0 引言

世界上第一座波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁——Cognac高架橋在1986年問世后，接連建成Maupre橋、Asterix橋和Dole橋三座同類橋[1]，這種新型結構用波紋鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，因避免了混凝土腹板箱梁橋自重大、工期長、易開裂的問題而被廣泛關注。日本繼法國后對波紋鋼腹板PC箱梁組合橋進行了詳細研究，進展顯著，出現(xiàn)了多種截面形式和結構體系，目前在建、已建橋梁超過200座[2]，是日本高速公路推薦橋型[3]。而我國對此類橋梁的研究起步較落后，1998年開始對其力學性能進行研究，2005年1月在江蘇淮安建成我國首座波紋鋼腹板PC組合箱梁人行橋(見圖1)，同年7月建成光山潑河橋(見圖2)，是我國第一座裝配式波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁公路橋[4]，隨后引起了國內學者的廣泛研究和探討。

近年來，為滿足工程需要，國內學者對這種新型結構的研究也日益深入，2010年—2016年期間文獻數(shù)量以每年百余篇的數(shù)量增長，2017年和2018年突破至300余篇，截止2017年橋梁建設110多座，里程數(shù)超過40 km，我國該類橋梁的建設已形成自具特色的發(fā)展路線，且總體技術水平已進入創(chuàng)新和超越時代。本文對波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的研究現(xiàn)狀、結構優(yōu)點、主要施工方法與工程應用幾個方面進行了總結，為今后波紋鋼腹板PC箱梁組合橋梁的發(fā)展提供一定借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 結構構造

波紋鋼腹板PC箱梁用波紋鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，主要由混凝土頂板、混凝土底板、波紋鋼腹板、體內預應力索、體外預應力索以及橫隔板構成，具體結構如圖3所示。因無法在波紋鋼腹板中布置預應力筋，常在混凝土頂板和底板中布置預應力筋抵抗施工時的荷載及自重，在箱內布置外部預應力筋抵抗活荷載[5]。

波紋鋼腹板構造如圖4所示，幾何參數(shù)包括板厚t，斜板段a，平直段b，內側彎曲半徑r以及波高h。波紋鋼腹板幾何參數(shù)的選擇，要滿足美觀、造價、環(huán)保等經(jīng)濟因素，同時應達到各個力學要求，保證正常使用。王軍[6]通過大量統(tǒng)計國內外波紋鋼腹板PC箱梁橋梁的鋼腹板厚度、梁高及跨徑等參數(shù)的數(shù)值，較為準確的找到了鋼腹板參數(shù)的取值范圍。

1.2 力學性能研究

20世紀90年代，在幾座波紋鋼腹板PC箱梁橋相繼建成后，國內學者展開了針對這種新穎結構的力學性能研究，利用橋梁模型試驗、有限元分析、對比分析等方法從抗剪性能、抗彎性能、扭曲畸變效應以及動力學特性等方面進行了探討。

對波紋鋼腹板PC箱梁橋抗剪性能的研究相對比較多，國內學者從分配系數(shù)、剪力滯后效應等多個方面進行了分析。周緒紅等[7]采用有限元法研究了波紋腹板參數(shù)對構件非線性剪切屈曲強度的影響，得出了波紋鋼腹板PC箱梁剪力主要由鋼腹板承擔的結論。劉超、鄧文琴等[8，9]在平截面假定等條件下，針對變截面波紋鋼腹板提出了一種剪應力計算理論，并給出了腹板和混凝土頂板、底板的剪應力分配系數(shù)。吳文清等[10]同樣采用空間有限元法，分析了翼板剪力滯后效應的分布規(guī)律以及影響因素，并得出了剪力滯后效應系數(shù)。

由于存在手風琴效應，鋼腹板軸向和彎曲剛度遠小于混凝土頂板、底板，在日本規(guī)范《波折腹板箱梁橋規(guī)劃手冊(試行)》中，在計算波紋鋼腹板PC箱梁的軸向和彎曲剛度時，也并不包括鋼腹板[11]。陳建兵等[12]通過對波紋鋼腹板PC箱梁建立模型，分析了此類橋梁的彎曲應力計算模式，認為應根據(jù)翼緣板的屈服應力確定極限抗彎承載力。目前針對抗彎性能的研究相對于抗剪性能較少，是國內學者仍需完善的一方面。

作為重點問題之一，對于波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應影響的研究開展稍晚，大多是以傳統(tǒng)混凝土箱梁理論為基礎對波紋鋼腹板PC箱梁畸變效應進行推導。國內最早可追朔到2003年李宏江等[13]的研究，分析了偏心荷載對波形鋼腹板箱梁的畸變效應影響，提出了畸變計算模式，并用兩根箱梁模型進行了靜載試驗，驗證了該理論的計算精度。

作為地震多發(fā)國，對波紋鋼腹板PC箱梁的動力學特性的研究也顯得尤為重要。冀偉等[14]將有限元計算結果與實驗結果對比，提出了一種建模方法。還發(fā)現(xiàn)中橫隔對波紋鋼腹板箱梁動力特性的影響小于支座橫隔板，通過合理減少中橫隔板達到經(jīng)濟更優(yōu)。鄭尚敏、李杰等[15，16]研究了體外預應力對波形鋼腹板簡支箱梁自振頻率的影響，得出了體外預應力會增大自振頻率的結論。

2 波紋鋼腹板PC箱梁優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)混凝土箱梁橋，波紋鋼腹板PC箱梁存在以下優(yōu)勢：

1)自重降低，經(jīng)濟成本降低?；炷粮拱逭剂酥髁鹤灾氐?0%～40%[17]，改用波形鋼腹板后箱梁自重降低25%～30%[18]，下部結構工程量得到降低，基礎負擔降低使地震的激勵作用變小。

2)工期短。整體自重減輕后，當采用節(jié)段懸臂澆筑施工方法時，可以增加每節(jié)段的施工長度；另外，現(xiàn)澆施工時鋼腹板省去了支模養(yǎng)護過程，在工廠預制后現(xiàn)場吊裝即可，從而有效縮短施工周期[19]，進一步降低了造價。

3)有效避免腹板開裂問題，耐久性好。傳統(tǒng)箱梁在荷載作用下因收縮、徐變等因素，會導致混凝土腹板產(chǎn)生斜裂縫，改用波紋鋼腹板后，避免了此類問題，耐久性高。

4)受力合理，提高預應力施加效率。由于手風琴結構，波紋鋼腹板PC組合箱梁的腹板基本不承擔軸向力，大多由混凝土頂板與底板承擔。這樣可以提高混凝土頂板和底板的預應力施加效率。另外，鋼腹板對混凝土頂板和底板的變形沒有限制，不會發(fā)生應力轉移。

5)體外預應力束維修便利。體外預應力束在長時間工作后，可在橋臺后面的張拉室對體外預應力束進行檢查。當出現(xiàn)應力損壞甚至斷裂時，可在夜間進行更換，方便快捷。

6)裝飾方便。相比于傳統(tǒng)腹板，波紋鋼腹板裝飾更方便，可以與周圍環(huán)境融為一體，且外邊面呈現(xiàn)出波浪形，更具欣賞性。

3 施工方法與工程應用

目前國內波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法主要包括滿堂支架法、懸臂法、頂推法三種。我國部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法統(tǒng)計見表1。

表1 我國部分波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的施工方法

1)滿堂支架法：滿堂支架法一般用于跨徑小于80 m的橋梁波紋鋼腹板PC箱梁組合橋[21]，Cognac高架橋便采用滿堂支架施工方法。由于施工方法簡單，并且無需大型吊裝設備、廣泛實用等優(yōu)點，我國早期的波紋鋼腹板PC箱梁組合橋均采用此類方法。但施工工期相對較長，且對地基要求較高。

2)懸臂法：當橋梁跨徑為80 m～250 m時，常使用懸臂法，包括節(jié)段懸臂澆筑以及預制節(jié)段懸臂拼裝兩種。由于用鋼腹板代替了傳統(tǒng)混凝土腹板，自重降低，節(jié)段長度可適當增加。隨著施工技術水平的提高，從表1可以看出，懸臂法成為近年來波紋鋼腹板PC箱梁組合橋的主流施工方法。具有不影響交通，節(jié)省施工用材等優(yōu)點。

3)頂推法：頂推法是2015年在我國首次采用的一種波紋鋼腹板PC箱梁組合橋施工方法，應用于鄭州常莊干渠高架橋的施工當中。此類方法施工效率較高，工期較短，并且在施工過程中可不斷調整位置，縮小誤差。目前僅被應用于小跨度波紋鋼腹板PC箱梁組合橋。

4 結語

波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在我國只有短短十幾年歷史，但相比于傳統(tǒng)混凝土箱梁橋其優(yōu)點突出，越來越受到國內學者和建筑行業(yè)的關注，工程實例增長也越來越快。希望本文能夠對波紋鋼腹板PC組合箱梁橋在我國的發(fā)展提供幫助。相信隨著不斷深入的研究和技術水平的提高，波紋鋼腹板PC組合箱梁橋會在我國的橋梁建設中留下濃墨重彩的一筆。